PRÁCTICA 1 – ELT 2590 “A” Docente: M. Sc. Ing. Ramiro F. Aliendre García Auxiliar: David Ventura Alvarado Estudiante: Adalid Omar Victoria Callapa 1. Investigar y citar con ejemplos los conceptos de: a) Control Automático b) Sistema c) Set point d) Realimentación e) Perturbación f) Sistema de lazo cerrado g) Control de Nivel de Líquidos h) Control de Presión de Vapor y Temperatura i) Control de Velocidad Solución. a) Control automático. Es un conjunto de dispositivos que, acoplados a un proceso, tratan de conseguir que alguna magnitud del mismo varíe en el transcurso del tiempo de alguna forma previamente definida. Algunos ejemplos de control automático en la vida real: Control de la dirección de un auto Control de la velocidad en un ralentí de un auto Máquina de coser industrial Control de seguimiento del sol de colectores solares b) Sistema Es la combinación de varios componentes físicos o no, que interactúan entre sí para realizar un objetivo determinado. Este concepto en general no varía casi nada si nos referimos estrictamente al ámbito de la ingeniería. Algunos ejemplos de sistemas de control: Sistema de control de velocidad Sistema de control de temperatura Sistemas empresariales Sistema de control de una rueda de impresión c) Set point El valor prefijado (Set Point, SP) es el valor deseado de la variable de proceso, es decir, la consigna Por ejemplo, en un horno la temperatura actual es 155 °C y el controlador está programado para llevar la temperatura a 200°C. d) Realimentación La realimentación existe donde hay una secuencia cerrada de relaciones causa – efecto, por tanto, al existir esta, se reduce el error entre entrada y salida. Como tal, la realimentación es una característica propia de sistemas de lazo cerrado. Ejemplos de realimentación pueden hallarse en los siguientes tipos de sistemas: - Sistemas de control lineales Sistemas de control no lineales - Sistemas invariantes en el tiempo Sistemas variantes en el tiempo e) Perturbación Una perturbación es una señal que puede afectar al valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada. Como ejemplos: Si se considera el sistema de control de la temperatura de una sala, se podría considerar una perturbación externa la temperatura del exterior, mientras que la actividad de las personas en el interior podría ser considerada una perturbación interna. Las antenas de radar están expuestas a ráfagas de viento (perturbación externa), los amplificadores tienen ruidos generados dentro de los componentes electrónicos (perturbaciones internas). En ambos casos son incontroladas. f) Sistema de lazo cerrado Es cuando la variable controlada se compara continuamente con la señal de referencia y cualquier diferencia produce una acción que tiende a reducir la desviación existente. En otras palabras, la acción de control realizada por el sistema de control depende del valor de la variable controlada en todo instante, por lo tanto, también toma el nombre de control dinámico. Esto se puede representar en forma de un diagrama de bloques que muestra la interacción lógica de los elementos que conforman un sistema de control retroalimentado. g) Control de nivel de líquidos Para la medición del nivel de líquidos, podemos hablar de tres métodos de medición principales: directo, de presión hidrostática y de las características eléctricas del líquido. A continuación, desglosaremos cada una de estos métodos. Medición directa • Medición por varilla: Se trata de una varilla o regla graduada, de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por la lectura directa en donde la varilla está mojada por el líquido. En el momento de la lectura, el tanque debe estar abierto a presión atmosfé- rica. Se emplea en tanques de agua a presión atmosférica y de bajo volumen. • Medición por cinta y plomada: Se emplea en depósitos o pozos donde es más difícil que la varilla llegue al fondo. Consiste en una cinta graduada y un plomo en la punta. Se mide el punto donde la cinta esta mojada. También se puede emplear la técnica que utilizan los pozómetros, que en lugar de una plomada, poseen un sensor que emitirá una señal acústica y/o lumínica al tomar contacto con la superficie del agua, y el nivel se obtiene por la diferencia entre la profundidad total del pozo y la cantidad de metros que el sensor debió bajar para tomar contacto con el agua. • Visor de vidrio: Consiste en un tubo de vidrio con su extremo inferior conectado al tanque generalmente mediante tres válvulas (dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal, y una de purga). Funciona por principio de vasos comunicantes. El nivel de vidrio va acompañado de una regla graduada. Se emplea para presiones hasta 7 bar. A presiones más elevadas, el vidrio es grueso, de sección rectangular y está protegido por una armadura metálica. Medición por presión hidrostática • Manométrico: Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. La medición está limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido. • Burbujeo: Mediante un regulador de caudal, se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo) un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas equivale a la medida de la columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos o con materiales en suspensión, ya que el fluido no penetra en el medidor ni en la línea de conexión. • Transmisor hidrostático: Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que permite medir la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto, esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. El diafragma forma parte del transmisor electrónico de presión hidrostático. Si bien estos dispositivos poseen una alta exactitud, el material del diafragma debe ser el adecuado para el tipo de líquido que se trate. Medición de características eléctricas del líquido • Medidor conductivo: Consiste en uno o varios electrodos y un relé que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico. Cuando el líquido moja los electrodos, se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura. El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, y utiliza relés eléctricos o electrónicos en función de la conductividad del líquido. Es versátil, sin partes móviles, y su campo de medida es amplio con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar el deterioro. • Medidor LED: Está compuesto por un cable multipar de 3 pares y 6 hilos conectados a un indicador de nivel. Uno de estos cables lleva adosada una plomada en su extremo y debe tener el largo suficiente para alcanzar el fondo del estanque, mientras que los cinco restantes se deben cortar a tramos equidistantes unos de otros y pelarse en la punta. Dado que estos cables son sensibles al contacto del agua, transmitirán una señal al indicador que mostrará mediante luces LED cada uno de los niveles alcanzados. • Medidor capacitivo: El medidor de nivel capacitivo mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido. En fluidos no conductores, se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores, el electrodo está aislado usualmente con teflón, interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas. • Medidor ultrasónico: Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Este sistema se utiliza para todo tipo de tanque y líquido o lodo. Pueden usarse en áreas clasificadas. Son sensibles a la densidad de los fluidos y dan señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida (por ej.: líquido que forme espuma), ya que se crean falsos ecos de los ultrasonidos h) Control de presión de vapor y temperatura PRESION. La medición y el control de presión son las variables de proceso más usadas en los más distintos sectores de la industria de control de procesos. Además, a través de la presión se puede inferir fácilmente una serie de otras variables, tales como, nivel, volumen, flujo y densidad. En este artículo comentaremos las principales características de las tecnologías más importantes utilizadas en sensores de presión, y también algunos detalles sobre instalaciones, mercado y tendencias de los transmisores de presión. Veamos ahora la presión ejercida por fluidos en movimiento en la sección transversal de un tubo. Ecuación de Bernoulli – Presión ejercida por los fluidos en movimiento en la sección transversal de un tubo. TEMPERATURA. Un controlador de temperatura se puede definir como un instrumento diseñado para que un proceso o recinto opere dentro de un rango de temperatura deseado, y para lo que ejerce control. Esta primera aproximación, si bien es sencilla, implica algunas ideas que merecen ser revisadas. La primera de ellas es que ejercemos control cuando queremos alcanzar y mantener un estado deseable, el que es definido por el usuario conforme a sus requerimientos. Por lo tanto, todo controlador debe permitirnos definir ese estado, y en este caso, debe permitirnos ingresar la temperatura deseada para el recinto o proceso donde queremos tener control. Una vez que el controlador “conoce” la temperatura deseada, y antes de ejecutar cualquier acción, requiere primeramente “medir” la temperatura del recinto o del proceso y compararla luego con la deseada. En este punto, debemos entender que el controlador en sí mismo no realiza la medición de la variable, sino que, para ello, debemos disponer de sensores de temperatura, tales como una termocupla, un sensor PT100 u otro. i) Control de velocidad El control de velocidad o control de crucero mantiene automáticamente y con precisión la velocidad del vehículo independientemente de las condiciones externas variables como la pendiente del firme o el viento. ¿En qué consiste? El control de velocidad o control de crucero mantiene automáticamente y con precisión la velocidad del vehículo independientemente de las condiciones externas variables como la pendiente del firme o el viento. ¿Para qué sirve? Se trata de un equipamiento de ayuda en la conducción, principalmente en autovías o autopistas. Permite circular a una velocidad constante sin necesidad de mantener apretado el pedal del acelerador y sobre todo de no tener que estar controlando de forma constante que no sobrepasamos el límite de velocidad deseado o no autorizado. ¿Cuáles son los vehículos implicados? Este equipamiento viene de serie o como extra en la mayoría de coches por un precio que ronda los 200 €. Algunos vehículos de gama más baja no ofrecen la posibilidad de equiparlo. ¿Cómo funciona? El conductor programa la velocidad deseada (120 km/h, 125, 130, etc…) y el coche la mantiene acelerando en las subidas y soltando del acelerador en las bajadas. Algunos modelos incluso llegan a frenar en las bajadas. Si el coche está provisto de una caja de cambios manual, la marcha definitiva necesaria para poner el control de crucero deberá de meterse antes de la puesta en funcionamiento del regulador de velocidad, ya que un cambio de marcha desactivará dicha función. El control de crucero únicamente mantiene una velocidad de forma constante, por lo que aún nos encontramos lejos de los pilotos automáticos, y el conductor debe tener en cuenta que es único capaz de mantener la distancia de seguridad con los otros vehículos. El control de velocidad se desactiva cuando el conductor aprieta el pedal de freno, embraga, cambia de velocidad o lo desconecta voluntariamente. Los controles se sitúan generalmente sobre la maneta izquierda o el en el volante. Lo que hay que recordar. En fuertes pendientes descendentes, el conductor debe de estar atento a no sobrepasar la velocidad si el coche no actúa sobre los frenos. En caso de fallo, es sistema se desactiva automáticamente. Si no se diese el caso, siempre es posible poner el cambio de marchas manual en punto muerto. En última instancia, los frenos tienen una fuerza aproximadamente 10 veces superior a la del motor. En las versiones más avanzadas, el control de velocidad automático (ACC), dispone de un sensor de largo alcance en la parte delantera del vehículo para determinar la distancia con el coche que le precede. En caso de acercamiento, el coche ralentiza el solo la velocidad para seguir manteniendo la distancia de seguridad y volverá a alcanzar la velocidad de crucero memorizada cuando la carretera se encuentre despejada. Las ventajas + Confort en la conducción en autovía/autopista + Aumenta la seguridad evitando sobrepasar una velocidad excesiva no deseada Los inconvenientes - Engorroso en carreteras pequeñas o con tráfico denso - ¡No confundir el pedal de freno y el acelerador al llegar a un peaje! 2. Proponga 4 sistemas de control en Lazo Abierto identificando cada uno de los bloques y señales. 1) Tanque de Agua Utilizáremos el mismo ejemplo de llenar un tanque de 500lts de agua. Para solucionar este sistema con un lazo abierto necesitamos saber cuántos litros de agua llenamos por segundo, en este caso llenamos 1 litro cada 5 segundos. 2) Microondas En este caso la variable controlada debería ser la cocción del alimento que introducimos, la variable de entrada sería el tiempo el cual lo ingresamos a través del tablero de control que vendría a ser parte de los componentes del sistema de control. Como sabemos intuitivamente nosotros digitamos el tiempo de cocción este puede ser o no el correcto sin embargo el microondas como tal no mide ni se retroalimenta de esta variable, en caso de no ser suficiente el tiempo nosotros volvemos a meter otro tiempo cerrando nosotros el lazo, pero en si el microondas es un sistema de control a lazo abierto. 3) Sintonizar un canal en la TV En muchas ocasiones se va la señal en ciertos canales y lo más común es que solemos mover la antena para que sintonice correctamente, bueno el sistema de la TV no tiene retroalimentación ya que como sabemos si no tiene señal simplemente la salida que sería la calidad de la imagen es mala, automáticamente no se gira o regula la antena por sí misma. 4) Control del volumen en el auto La variable controlada sería el nivel de dB de salida de los parlantes, el cual como sabemos en el auto no es censado ni actúa como alimentación en el control, el sistema de control sería el sistema de audio en el cual como componente se incluye la perilla que nos permite regular la salida. 3. Realizar los siguientes ejercicios Ejercicio 1. En la figura se muestra un sistema de control mediante una luz que se emplea para rastrear el sol. El eje de salida accionado por el motor mediante un engranaje de reducción, tiene unida una ménsula sobre la cual se montan dos fotocélulas. Complétese el sistema de lazo cerrado de forma que dicho sistema siga la fuente luminosa. Solución. + Luz solar - PREACTUADOR Tubos de fotocélulas ACTUADOR Engranajes PROCESO Movimiento rectilíneo a velocidad constante Motor CONTROLADOR Sensor de posición Ejercicio 2. El control preciso de un reactor nuclear es importante para los sistemas de generación de potencia. Suponiendo que el número de neutrones presente es proporcional al nivel de potencia, se usa una cámara de ionización para medir dicho nivel. La corriente io es proporcional al nivel de potencia. La posición de las barras de control de grafito modera este nivel. Complétese el sistema de control del reactor nuclear en la figura y dibuje el diagrama de bloques que describe la operación del lazo de control con realimentación. Solución. Motor Engranajes Barra de control Computadora Cámara con neutrones y agua neutrones Cámara de ionización Amperímetro PREACTUADOR ACTUADOR PROCESO Computadora Motor y engranajes + Amperímetro - Potencia eléctrica CONTROLADOR Cámara de ionización Ejercicio 3. Para completar las emisiones y obtener un mejor rendimiento de combustible por kilómetro de los automóviles, se emplean computadores pequeños. Un sistema de inyección de combustible controlado por computador que de forma automática autoajusta la relación de la mezcla de aire-combustible pueda mejorar el rendimiento de combustible por kilómetro y reducir de forma significativa la emisión de productos contaminantes no necesitados. Dibújese el diagrama de bloques de tal sistema para un automóvil. Solución. Conductor PREACTUADOR + Acelerador - ACTUADOR Inyección de combustible PROCESO Distancia recorrida y nivel de combustible Motor CONTROLADOR Computadora Ejercicio 4. Los ingenieros de la Universidad de las Ciencias de Tokio están desarrollando un robot con un rostro humano. El robot puede visualizar expresiones faciales de manera que puede trabajar cooperativamente con trabajadores humanos. Represéntese un diagrama de bloques de su propio diseño para el sistema de control de una expresión facial. Solución. Rostros humanos PREACTUADOR ACTUADOR + Cámara Computadora PROCESO Comunicación con humanos Movimiento facial y emisión de voz Ejercicio 5. Muchos coches están equipados con un control de velocidad que, al pulsar un botón, automáticamente mantiene una velocidad fija. De esta forma, el conductor puede mantenerse en un límite de velocidad o velocidad económica sin tener que estar continuamente comprobando el velocímetro. Diséñese un control con realimentación en forma de un diagrama de bloques de un sistema de control de velocidad. Solución. Conductor ACTUADOR PROCESO Control de velocidad Motor + - CONTROLADOR Computadora Velocidad constante
